用于氮化物外延衬底的原位处理方法及衬底与流程

1.本发明属于氮化物材料制备方法技术领域，尤其涉及一种用于氮化物外延衬底的原位处理方法及衬底。


背景技术：

2.由gan、aln、inn等构成的iii族氮化物为直接带隙半导体，其带隙宽度可以从inn的0.7ev到aln的6.2ev实现连续可调，其波长可涵盖红、黄、绿到紫外光谱范围，而且大的禁带差使得利用iii族氮化物制备出的异质结、量子阱、超晶格等具有优越的器件特性，因此，利用gan、aln、inn等构成的iii族氮化物对于制造新型半导体器件有重要的意义。
3.目前，gan基半导体材料主要是在蓝宝石、si、sic等衬底上异质外延进行的。为了减少由于异质衬底与外延层之间晶格失配引起的位错密度，因此侧向外延(elog)和选区生长(sag)等技术被广泛应用到氮化物材料外延中。
4.然而，传统的elog和sag技术需要介质沉积、光刻、刻蚀等复杂的半导体工艺技术，工艺繁琐，成本较高，从而制约了该技术的广泛应用。因此，如何简化工艺，成为侧向外延和选区生长等技术能否在氮化物材料外延领域广泛应用的关键。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种用于氮化物外延衬底的原位处理方法及衬底，旨在解决现有技术工艺复杂，无法改善氮化物外延的质量的问题。其通过在衬底上预先制备一层图形化氮化物薄膜层作为掩膜层，利用氮化物外延生长选择性的特点，从而减少了外延层中的位错密度。
6.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了用于氮化物外延衬底的原位处理方法，包括：
7.提供一衬底，所述衬底设于mocvd反应室内；
8.生长氮化物薄膜：在第一预设温度下，向所述反应室内通入氢气、mo源和氨气，在所述衬底的第一表面上生长岛状的氮化物薄膜，当生长的氮化物薄膜达到第一预设厚度时，关闭mo源和氨气；
9.刻蚀氮化物薄膜：在第一预设时间内，将温度升高到第二预设温度，持续通入的氢气对所述氮化物薄膜的表面进行刻蚀，岛与岛结界处的氮化物分解；其中，所述第二预设温度高于所述第一预设温度；
10.循环进行所述生长氮化物薄膜和所述刻蚀氮化物薄膜的步骤，形成具有开孔的图形化掩膜层，具有所述图形化掩膜层的衬底用于生长氮化物外延材料。
11.本技术实施例提供的用于氮化物外延衬底的原位处理方法，通过首先在衬底表面生长岛状的氮化物薄膜，然后利用氢气高温刻蚀氮化物薄膜，使的氮化物薄膜在岛状氮化物薄膜与岛状氮化物薄膜结界处分解，从而露出分解处的衬底。重复进行氮化物薄膜生长和刻蚀，从而得到带有随机分布开孔的图形化掩膜层，即部分区域衬底上没有氮化物薄膜，
部分区域衬底上设有氮化物薄膜。其中，在衬底上留下的氮化物薄膜可作为后续外延生长的掩膜层。没有氮化物薄膜的区域为窗口区，由于表面能的不同，后续外延材料会在窗口区内首先快速生长。且该处理方法工艺简单，可广泛使用。
12.在一种可能的实现方式中，所述生长的氮化物薄膜的材料为gan、aln、bn、inn、algan、ingan、bgan或baln中的一种或几种的组合。
13.一些实施例中，所述第一预设厚度的范围为10nm
‑
200nm。
14.在一种可能的实现方式中，所述第一预设温度的范围为700℃
‑
1200℃。
15.在一种可能的实现方式中，所述第二预设温度的范围为1000℃
‑
1600℃。
16.一些实施例中，所述第一预设时间的范围为1
‑
20分钟。
17.在一种可能的实现方式中，所述图形化掩膜层的厚度范围为200nm
‑
1000μm。
18.在一种可能的实现方式中，所述氮化物薄膜的生长压力范围为50mbar
‑
500mbar。
19.在一种可能的实现方式中，所述氮化物外延的材料为gan、aln、bn、inn、algan、ingan、bgan或baln中的一种或几种的组合。
20.另一方面，本发明还提供了一种用于氮化物外延材料的衬底，包括衬底本体和生长在所述衬底本体的第一表面的图形化掩膜层，所述图形化掩膜层采用上述任一项所述的方法制备而成。
21.本技术实施例提供的衬底，采用上述氮化物外延衬底的原位处理方法制备而成。首先在衬底的第一表面上生长一层表面分布不均匀开孔的图形化掩膜层，然后在图形化掩膜层上生长外延层。外延材料会优先在没有图形化掩膜层的氮化物薄膜的窗口区生长，然后和设有氮化物薄膜的掩膜层上生长的外延材料合并，最终形成平整的外延层表面。本技术利用氮化物材料外延生长具有选择性的特点，在具有图形化掩膜层的衬底上实现选区生长，将大量的位错缺陷终止在掩膜层与外延层的界面处，有效的减少了外延层氮化物薄膜中的位错密度，不尽提高了晶体质量，而且处理工艺简单，便于广泛使用。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明实施例提供的一种用于氮化物外延衬底的原位处理方法的示意图；
24.图中：1
‑
衬底，2
‑
氮化物薄膜，3
‑
氮化物外延。
具体实施方式
25.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
26.为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
27.由于氮化物外延生长通常采用异质外延，生长在其它衬底材料上，但是由于晶格
和热膨胀系数的差异及界面化学问题的影响，通常得到的外延层的质量较差。然而外延层的晶体质量较差，严重制约着光电和电子器件的发展，外延生长技术的提高对外延层晶体质量的改善起到关键作用。
28.请参阅图1，本实施例中的一种用于氮化物外延衬底的原位处理方法，包括：
29.首先在mocvd反应室内放置一衬底1，其次，生长氮化物薄膜2包括：在第一预设温度下，在反应室内，以氢气为载气，通入mo源和氨气，mo源和氨气会在衬底1的第一表面上生长形成岛状的氮化物薄膜2。当生长的氮化物薄膜2的厚度达到第一预设厚度时，关闭mo源和氨气，停止氮化物薄膜2的生长。
30.然后，刻蚀氮化物薄膜2包括：在第一预设时间内，将温度升高到第二预设温度，其中，第二预设温度高于第一预设温度，持续通入的氢气会刻蚀氮化物薄膜2的表面，氮化物薄膜2会从岛与岛间的结界处开始分解，漏出衬底1的第一表面。通过循环进行生长氮化物薄膜2和刻蚀氮化物薄膜2的步骤，直至衬底1的第一表面上形成形成具有开孔的图形化掩膜层。上述图形化掩膜层可以用于生长氮化物外延。这些图形化掩膜层可以起到微区掩膜的作用。
31.最后，在形成随机分布开孔的图形化掩膜层的氮化物薄膜2的上表面开始生长氮化物外延3，氮化物外延3为外延材料。此时，氮化物外延3首先在没有图形化掩膜层的表面进行成核，成核逐渐变大，相互合并，最终形成平整的表面。
32.本技术实施例提供的用于氮化物外延衬底的原位处理方法，通过首先在衬底表面生长岛状的氮化物薄膜，然后利用氢气高温刻蚀氮化物薄膜，使的氮化物薄膜在岛状氮化物薄膜与岛状氮化物薄膜结界处分解，从而露出分解处的衬底。重复进行氮化物薄膜生长和刻蚀，从而得到带有随机分布开孔的图形化掩膜层，即部分区域衬底上没有氮化物薄膜，部分区域衬底上设有氮化物薄膜。其中，在衬底上留下的氮化物薄膜可作为后续外延生长的掩膜层。没有氮化物薄膜的区域为窗口区，由于表面能的不同，后续外延材料会在窗口区内首先快速生长。从而可以避免在衬底上直接生长氮化物外延材料的形核层，避免了位错，从而提高外延质量。
33.在一些实施例中，氮化物薄膜2的材料为gan、aln、bn、inn、algan、ingan、bgan或baln中的一种或几种的组合。可以在衬底1的第一表面根据器件需要，生长不同材料的氮化物薄膜2。
34.具体地，上述第一预设厚度的范围为10nm
‑
200nm。当上述氮化物薄膜2的厚度达到10nm
‑
200nm，可根据需要设定具体的厚度，关闭mo源和氨气，停止氮化物薄膜2的生长。
35.一些可能的实现方式中，第一预设温度的范围为700℃
‑
1200℃。当温度升高到第一预设温度时，上述氮化物薄膜2开始生长。
36.在一些实施例中，第二预设温度的范围为1000℃
‑
1600℃，且第二预设温度高于第一预设温度。当温度升高到第二预设温度时，氢气在高温下，会刻蚀岛状的氮化物薄膜2，使部分氮化物薄膜2在岛与岛结界处开始高温分解，漏出氮化物薄膜2下部的衬底1的第一表面。
37.在一些实施例中，第一预设时间的范围为1
‑
20分钟。在第一预设时间内，氢气会一直在高温下刻蚀氮化物薄膜2，达到第一预设时间后，降低温度，停止刻蚀。
38.一些可能的实现方式中，第二预设厚度的范围为200nm
‑
1000μm。当氮化物薄膜2层
的总的厚度达到第二预设厚度时，则停止重复进行氮化物薄膜2的生长和刻蚀。此时在衬底1的第一表面上已经形成一层图形化掩膜层，即随机分布开孔的氮化物薄膜2层。
39.具体地，整个氮化物薄膜2生长过程的压力范围为50mbar
‑
500mbar。
40.一些可能的实现方式中，氮化物外延3的材料为gan、aln、bn、inn、algan、ingan、bgan或baln中的一种或几种的组合。
41.本发明实施例通过在衬底1的第一表面上生长带有随机分布开孔的氮化物薄膜2层，作为图形化掩膜层。从而，形成了部分区域衬底1上没有氮化物薄膜2，部分区域衬底1上设有氮化物薄膜2。从而，可以利用氮化物外延3材料外延生长具有生长选择性的特点，在具有图形化掩膜层的衬底1上实现选区生长，将大量的位错缺陷终止在图形化掩膜层与氮化物层的界面处，有效的减少了外延的位错密度，提高了晶体质量。
42.本发明还提供了一种用于氮化物外延材料的衬底，包括衬底1、氮化物薄膜2。在衬底1的第一表面上生长有图形化掩膜层。上述图形化掩膜层为采用上述方法制备而成的氮化物薄膜2，且图形化掩膜层的表面上分布有不均匀的开孔。其中部分区域的衬底上设有氮化物薄膜2，部分区域的衬底上没有氮化物薄膜2。在氮化物薄膜2的表面上设有氮化物外延3。氮化物外延3可以为氮化物外延材料的形核层。
43.本技术实施例提供的衬底，采用上述用于氮化物外延衬底的原位处理方法制备而成。首先在衬底的第一表面上生长一层表面分布不均匀开孔的氮化物薄膜作为图形化掩膜层，然后在图形化掩膜层上生长外延层。外延材料会优先在没有氮化物薄膜的窗口区生长，然后和设有氮化物薄膜的掩膜层上生长的外延材料合并，最终形成平整的外延层表面。本技术利用氮化物材料外延生长具有选择性的特点，在具有图形化掩膜层的衬底上实现选区生长，将大量的位错缺陷终止在掩膜层与外延层的界面处，有效的减少了外延层氮化物薄膜中的位错密度，提高了晶体质量。同时该方法在氮化物沉积设备中可以进行原位进行，方法经济节约，简单易行，外延材料性能好，是实现氮化物薄膜高质量、低成本生长的有效解决方案。
44.另一方面，本发明实施例还提供了一种高质量蓝宝石衬底上gan hemt制备方法。具体包括以下步骤：
45.首先，采用mocvd设备，在蓝宝石衬底上生长20nm的岛状gan掩膜层。其中，生长温度为800℃，压强其100mbar，tmga的流量为100sccm，氨气为30l，载气采用为氢气50l。其次，关闭tmga源和氨气，升温到1100℃，使用氢气进行高温刻蚀5分钟。重复进行生长岛状gan掩膜层和氢气高温刻蚀三次。然后，在最终生长的随机分布的开孔的gan掩膜层上生长1200nm的gan缓冲层。其中，温度为1000℃，压强为200mbar，tmga的流量为200sccm，氨气为20l，载气采用氢气为30l。接着，在gan缓冲层上依次生长100nm厚的gan沟道层和20nm厚的algan势垒层，其中al组分为20％。从而制备出高质量蓝宝石衬底上gan hemt。
46.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
47.上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包
含在本发明的保护范围之内。